Java多线程并发--1

1、线程实现/创建方式

一、继承 Thread 类

Thread 类本质上是实现了 Runnable 接口的一个实例,代表一个线程的实例。启动线程的唯一方法就是通过 Thread 类的 start()实例方法。start()方法是一个 native 方法,它将启动一个新线程,并执行 run()方法。

public class MyThread extends Thread { 
  public void run() { 
 	System.out.println("MyThread.run()"); 
   } 
} 
MyThread myThread1 = new MyThread(); 
myThread1.start();

二、实现 Runnable 接口。

如果自己的类已经 extends 另一个类,就无法直接 extends Thread,此时,可以实现一个
Runnable 接口。

public class MyThread extends OtherClass implements Runnable { 
 public void run() { 
 	System.out.println("MyThread.run()"); 
 } 
}
//启动 MyThread,需要首先实例化一个 Thread,并传入自己的 MyThread 实例:
MyThread myThread = new MyThread(); 
Thread thread = new Thread(myThread); 
thread.start(); 
//事实上,当传入一个 Runnable target 参数给 Thread 后,Thread 的 run()方法就会调用
target.run()
public void run() { 
 if (target != null) { 
 	target.run(); 
 } 
}

三、实现 Callable 接口,有返回值线程

执行Callable 任务后,可以获取一个 Future 的对象,在该对象上调用 get 就可以获取到 Callable 任务返回的 Object 了,再结合线程池接口 ExecutorService 就可以实现传说中有返回结果的多线程了

public class CallableTest implements Callable {

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        Integer sum = 0;
        for (int i = 0; i <=100 ; i++) {
            sum+=i;
        }
       // System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
    // 创建多个有返回值的任务
        List<Future> list = new ArrayList<Future>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Callable c=new CallableTest();
    // 执行任务并获取 Future 对象
    // 会创建一个新线程(执行任务的线程)去执行这个Callable的call方法                
            Future f = pool.submit(c);
            list.add(f);
        }
    // 关闭线程池
        pool.shutdown();
    // 获取所有并发任务的运行结果
        for (Future f : list) {
    // 从 Future 对象上获取任务的返回值,并输出到控制台
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + f.get().toString());
        }
    }
}

四、基于线程池的方式

线程和数据库连接这些资源都是非常宝贵的资源。那么每次需要的时候创建,不需要的时候销
毁,是非常浪费资源的。那么我们就可以使用缓存的策略,也就是使用线程池。

 // 创建线程池
 ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
 while(true) {
 	threadPool.execute(new Runnable() { // 提交多个线程任务,并执行
 @Override
 public void run() {
 	System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running ..");
     try {
 	Thread.sleep(3000);
     } catch (InterruptedException e) {
 	e.printStackTrace();
       }
     }
   });
 } 
}

2、四种线程池

Java 里面线程池的顶级接口是 Executor ,但是严格意义上讲 Executor 并不是一个线程池,而
只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是 ExecutorService

  1. newCachedThreadPool
    创建一个可根据需要创建新线程的线程池,但是在以前构造的线程可用时将重用它们。对于执行
    很多短期异步任务的程序而言,这些线程池通常可提高程序性能。调用 execute 将重用以前构造
    的线程(如果线程可用)。如果现有线程没有可用的,则创建一个新线程并添加到池中。终止并
    从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程
    因此,长时间保持空闲的线程池不会使用任何资
    源。

  2. newFixedThreadPool
    创建一个可重用固定线程数的线程池,以共享的无界队列方式来运行这些线程。 在任意点,在大
    多数 nThreads 线程会处于处理任务的活动状态。如果在所有线程处于活动状态时提交附加任务,
    则在有可用线程之前,附加任务将在队列中等待。如果在关闭前的执行期间由于失败而导致任何
    线程终止,那么一个新线程将代替它执行后续的任务(如果需要)。在某个线程被显式地关闭之
    前,池中的线程将一直存在。

  3. newScheduledThreadPool
    创建一个线程池,它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。

    	 public static void main(String[] args) {
     	             //创建一个定长线程池,支持定时及周期性任务执行——延迟执行
      	       ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
          	        //延迟1秒执行
          	        /*scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
         	             public void run() {
          	               System.out.println("延迟1秒执行");
        	              }
        	          }, 1, TimeUnit.SECONDS);*/
    
    
           	       //延迟1秒后每3秒执行一次
          	        scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
          	            public void run() {
        	                  System.out.println("延迟1秒后每3秒执行一次");
             	         }
       	          }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);
    
            	  }
    
  4. newSingleThreadExecutor
    Executors.newSingleThreadExecutor()返回一个线程池(这个线程池只有一个线程), 这个线程
    池可以在线程死后(或发生异常时)重新启动一个线程来替代原来的线程继续执行下去!

3、线程生命周期(状态)

  1. 新建状态(NEW)
    当程序使用 new 关键字 创建了一个线程之后,该线程就处于新建状态,此时仅由 JVM 为其分配
    内存,并初始化其成员变量的值

  2. 就绪状态(RUNNABLE)
    当线程对象 调用了 start()方法 之后,该线程处于就绪状态。Java 虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器,等待调度运行。

  3. 运行状态(RUNNING)
    如果处于 就绪状态的线程获得了 CPU,开始执行 run()方法的线程执行体 ,则该线程处于运行状
    态。

  4. 阻塞状态(BLOCKED)
    阻塞状态是指线程因为某种原因放弃了 cpu 使用权,也即让出了 cpu timeslice,暂时停止运行。
    直到线程进入可运行(runnable)状态,才有机会再次获得 cpu timeslice 转到运行(running)状
    态。阻塞的情况分三种:

    等待阻塞(o.wait->等待对列)
    运行(running)的线程执行 o.wait()方法,JVM 会把该线程放入等待队列(waitting queue)中。

    同步阻塞(lock->锁池)
    运行(running)的线程在获取对象的同步锁时,若该 同步锁被别的线程占用 ,则 JVM 会把该线程放入锁池(lock pool)中。

    其他阻塞(sleep/join)
    运行(running)的线程执行 Thread.sleep(long ms)或 t.join()方法,或者发出了 I/O 请求时,JVM 会把该线程置为阻塞状态。当 sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者 I/O处理完毕时,线程重新转入可运行(runnable)状态。

  5. 线程死亡(DEAD)
    线程会以下面三种方式结束,结束后就是死亡状态。

  • 正常结束
    run()或 call()方法执行完成,线程正常结束。
  • 异常结束
    线程抛出一个未捕获的 Exception 或 Error。
  • 调用 stop
    直接调用该线程的 stop()方法来结束该线程—该方法通常容易导致死锁,不推荐使用。

4、终止线程 4 种方式

一、程序运行结束,线程自动结束。
二、使用退出标志退出线程
设一个 boolean 类型的标志,并通过设置这个标志为 true 或 false 来控制 while
循环是否退出:

public class ThreadSafe extends Thread {
 public volatile boolean exit = false; 
 public void run() { 
 while (!exit){
 //do something
 }
 } 
}

定义了一个退出标志 exit,当 exit 为 true 时,while 循环退出,exit 的默认值为 false.在定义exit时,使用了一个 Java 关键字 volatile,这个关键字的目的是使 exit 同步,也就是说在同一时刻只能由一个线程来修改 exit 的值。

三、Interrupt 方法结束线程

  1. 线程处于阻塞状态:
    如使用了 sleep,同步锁的 wait,socket 中的 receiver,accept 等方法时,会使线程处于阻塞状态。当调用线程的 interrupt()方法时,会抛出 InterruptException 异常。阻塞中的那个方法抛出这个异常,通过代码捕获该异常,然后 break 跳出循环状态,从而让我们有机会结束这个线程的执行。通常很多人认为只要调用 interrupt 方法线程就会结束,实际上是错的, 一定要先捕获 InterruptedException 异常之后通过 break 来跳出循环,才能正常结束 run 方法。

  2. 线程未处于阻塞状态:使用 isInterrupted()判断线程的中断标志来退出循环。当使用interrupt()方法时,中断标志就会置 true,和使用自定义的标志来控制循环是一样的道理。

 public class ThreadSafe extends Thread {
     public void run() { 
       while (!isInterrupted()){ //非阻塞过程中通过判断中断标志来退出
 	try{
 		Thread.sleep(5*1000);//阻塞过程捕获中断异常来退出
 	 }catch(InterruptedException e){
 		e.printStackTrace();
 		break;//捕获到异常之后,执行 break 跳出循环
 		}
 	}
     } 
}

四、stop 方法终止线程(线程不安全)
程序中可以直接使用 thread.stop()来强行终止线程,但是 stop 方法是很危险的,就象突然关闭计算机电源,而不是按正常程序关机一样,可能会产生不可预料的结果,不安全主要是:thread.stop()调用之后,创建子线程的线程就会抛出 ThreadDeatherror 的错误,并且会释放子线程所持有的所有锁。一般任何进行加锁的代码块,都是为了保护数据的一致性,如果在 调用thread.stop()后导致了该线程所持有的所有锁的突然释放(不可控制), 那么被保护数据就有可能呈现不一致性,其他线程在使用这些被破坏的数据时,有可能导致一些很奇怪的应用程序错误。因此,并不推荐使用 stop 方法来终止线程。

5、sleep 与 wait 区别

  1. 对于 sleep()方法,我们首先要知道该方法是属于 Thread 类中的。而 wait()方法,则是属于Object 类中的。
  2. sleep()方法导致了程序暂停执行指定的时间,让出 cpu 该其他线程,但是 他的监控状态依然保持着 ,当指定的时间到了又会自动恢复运行状态。
  3. 在调用 sleep()方法的过程中,线程不会释放对象锁。
  4. 而当调用 wait()方法的时候,线程会放弃对象锁,进入等待此对象的 等待锁定池,只有针对此对象调用 notify()方法后本线程才进入对象锁定池准备获取对象锁进入运行状态。

6、start 与 run 区别

  1. start() 方法来启动线程,真正实现了多线程运行。这时无需等待 run 方法体代码执行完毕,可以直接继续执行下面的代码。
  2. 通过调用 Thread 类的 start()方法来启动一个线程, 这时此线程是处于 就绪状态, 并没有运行。
  3. 方法 run()称为线程体,它包含了要执行的这个线程的内容,线程就进入了 运行状态,开始运行 run 函数当中的代码。 Run 方法运行结束, 此线程终止。然后 CPU 再调度其它线程。

7、 后台线程

  1. 定义:守护线程--也称“服务线程”,他是后台线程,它有一个特性,即为用户线程 提供 公共服务,在没有用户线程可服务时会自动离开。
  2. 优先级:守护线程的优先级比较低,用于为系统中的其它对象和线程提供服务。
  3. 设置:通过 setDaemon(true) 来设置线程为“守护线程”;将一个用户线程设置为守护线程的方式是在 线程对象创建 之前 用线程对象的 setDaemon 方法。
  4. 在 Daemon 线程中产生的新线程也是 Daemon 的。
  5. 线程则是 JVM 级别的,以 Tomcat 为例,如果你在 Web 应用中启动一个线程,这个线程的生命周期并不会和 Web 应用程序保持同步。也就是说,即使你停止了 Web 应用,这个线程依旧是活跃的
  6. example: 垃圾回收线程就是一个经典的守护线程,当我们的程序中不再有任何运行的Thread,程序就不会再产生垃圾,垃圾回收器也就无事可做, 所以当垃圾回收线程是 JVM 上仅剩的线程时,垃圾回收线程会自动离开。 它始终在低级别的状态中运行,用于实时监控和管理系统中的可回收资源。
  7. 生命周期:守护进程(Daemon)是运行在后台的一种特殊进程。它独立于控制终端并且周期性地执行某种任务或等待处理某些发生的事件。也就是说守护线程不依赖于终端,但是依赖于系统,与系统“同生共死”。当 JVM 中所有的线程都是守护线程的时候,JVM 就可以退出了;如果还有一个或以上的非守护线程则 JVM 不会退出。

8、锁

一、乐观锁
乐观锁是一种乐观思想,即认为读多写少,遇到并发写的可能性低,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是 在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据,采取在写时先读出当前版本号,然后加锁操作(比较跟上一次的版本号,如果一样则更新),如果失败则要重复读-比较-写的操作。java 中的乐观锁基本都是通过 CAS 操作实现的,CAS 是一种更新的原子操作,比较当前值跟传入值是否一样,一样则更新,否则失败。

二、悲观锁
悲观锁是就是悲观思想,即认为写多,遇到并发写的可能性高,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在读写数据的时候都会上锁,这样别人想读写这个数据就会 block 直到拿到锁。java中的悲观锁就是 Synchronized,AQS框架下的锁则是先尝试cas乐观锁去获取锁,获取不到,才会转换为悲观锁,如RetreenLock。

三、自旋锁
如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源,那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态,它们只需要等一等(自旋),等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁,这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。

线程自旋是需要消耗 cup 的,说白了就是让 cup 在做无用功,如果一直获取不到锁,那线程也不能一直占用 cup 自旋做无用功,所以需要设定一个自旋等待的最大时间。

如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁,就会导致其它争用锁的线程在最大等待时间内还是获取不到锁,这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。

四、Synchronized 同步锁
synchronized 它可以把任意一个非 NULL 的对象当作锁。他属于独占式的悲观锁,同时属于可重入锁。

Synchronized 作用范围

  1. 作用于方法时,锁住的是对象的实例(this);
  2. 当作用于静态方法时,锁住的是Class实例,因此静态方法锁相当于类的一个全局锁,会锁所有调用该方法的线程;
  3. synchronized 作用于一个对象实例时,锁住的是所有以该对象为锁的代码块。它有多个队列,当多个线程一起访问某个对象监视器的时候,对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。

Synchronized 核心组件

  1. Wait Set:哪些调用 wait 方法被阻塞的线程被放置在这里;
  2. Contention List:竞争队列,所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队中;
  3. Entry List:Contention List 中那些有资格成为候选资源的线程被移动到Entry List 中;
  4. OnDeck:任意时刻,最多只有一个线程正在竞争锁资源,该线程被成为OnDeck;
  5. Owner:当前已经获取到所资源的线程被称为 Owner;
  6. !Owner:当前释放锁的线程。

9、线程基本方法

线程相关的基本方法有 wait,notify,notifyAll,sleep,join,yield 等。

一、线程等待(wait)
调用该方法的线程进入 WAITING 状态,只有等待另外线程的通知或被中断才会返回,需要注意的是调用 wait()方法后,会释放对象的锁。因此,wait 方法一般用在同步方法或同步代码块中。

二、线程睡眠(sleep)
sleep 导致当前线程休眠,与 wait 方法不同的是 sleep 不会释放当前占有的锁 ,sleep(long)会导致线程进入 TIMED-WATING 状态,而 wait()方法会导致当前线程进入 WATING 状态

三、线程让步(yield)
yield 会使当前线程 让出 CPU 执行时间片 ,与其他线程一起重新竞争 CPU 时间片。一般情况下,优先级高的线程有更大的可能性成功竞争得到 CPU 时间片,但这又不是绝对的,有的操作系统对线程优先级并不敏感。

四、线程中断(interrupt)
中断一个线程,其本意是 给这个线程一个通知信号,会影响这个线程内部的一个中断标识位。这个线程本身并不会因此而改变状态(如阻塞,终止等)。

  1. 调用 interrupt()方法并不会中断一个正在运行的线程。 也就是说处于 Running 状态的线程并不会因为被中断而被终止,仅仅改变了内部维护的中断标识位而已。
  2. 若调用 sleep()而使线程处于 TIMED-WATING 状态,这时调用interrupt()方法,会抛出InterruptedException,从而使线程提前结束 TIMED-WATING 状态。
  3. 许多声明抛出 InterruptedException 的方法(如 Thread.sleep(long mills 方法)),抛出异常前,都会清除中断标识位,所以抛出异常后,调用 isInterrupted()方法将会返回 false。
  4. 中断状态是线程固有的一个标识位,可以通过此标识位安全的终止线程。比如,你想终止一个线程 thread 的时候,可以调用 thread.interrupt()方法,在线程的 run 方法内部可以根据 thread.isInterrupted()的值来优雅的终止线程。

五、Join 等待其他线程终止
join() 方法,等待其他线程终止,在当前线程中调用一个线程的 join() 方法,则当前线程转为阻塞状态,回到另一个线程结束,当前线程再由阻塞状态变为就绪状态,等待 cpu 的宠幸。

六、为什么要用 join()方法?
很多情况下,主线程生成并启动了子线程,需要用到子线程返回的结果,也就是需要主线程需要在子线程结束后再结束,这时候就要用到 join() 方法。

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程运行开始!");
	Thread6 thread1 = new Thread6();
	thread1.setName("线程 B");
	thread1.join();
System.out.println("这时 thread1 执行完毕之后才能执行主线程");

七、线程唤醒(notify)
Object 类中的 notify() 方法,唤醒在此对象监视器上等待的单个线程 ,如果所有线程都在此对象上等待,则会选择唤醒其中一个线程,选择是任意的,并在对实现做出决定时发生,线程通过调用其中一个 wait() 方法,在对象的监视器上等待,直到当前的线程放弃此对象上的锁定,才能继续执行被唤醒的线程,被唤醒的线程将以常规方式与在该对象上主动同步的其他所有线程进行竞争。类似的方法还有 notifyAll() ,唤醒再次监视器上等待的所有线程。

八、其他方法

  1. sleep():强迫一个线程睡眠N毫秒。
  2. isAlive(): 判断一个线程是否存活。
  3. join(): 把指定的线程加入到当前线程,可以将两个交替执行的线程合并为顺序执行的线程。
  4. activeCount(): 程序中活跃的线程数。
  5. enumerate(): 枚举程序中的线程。
  6. currentThread(): 得到当前线程。
  7. isDaemon(): 一个线程是否为守护线程。
  8. setDaemon(): 设置一个线程为守护线程。(用户线程和守护线程的区别在于,是否等待主线程依赖于主线程结束而结束)
  9. setName(): 为线程设置一个名称。
  10. wait(): 强迫一个线程等待。
  11. notify(): 通知一个线程继续运行。
  12. setPriority(): 设置一个线程的优先级。
  13. getPriority()::获得一个线程的优先级。

10、线程上下文切换

巧妙地利用了时间片轮转的方式, CPU 给每个任务都服务一定的时间,然后把当前任务的状态保存下来,在加载下一任务的状态后,继续服务下一任务,任务的状态保存及再加载, 这段过程就叫做上下文切换 。时间片轮转的方式使多个任务在同一颗 CPU 上执行变成了可能。

一、进程
狭义定义:进程是正在运行的程序的实例,在 Linux 系统中,线程就是能并行运行并且与他们的父进程(创建他们的进程)共享同一地址空间(一段内存区域)和其他资源的轻量级的进程。

二、上下文
是指某一时间点 CPU 寄存器和程序计数器的内容。

三、寄存器
是 CPU 内部的数量较少但是速度很快的内存(与之对应的是 CPU 外部相对较慢的 RAM 主内存)。寄存器通过对常用值(通常是运算的中间值)的快速访问来提高计算机程序运行的速度。

四、程序计数器
是一个专用的寄存器,用于表明指令序列中 CPU 正在执行的位置,存的值为正在执行的指令的位置或者下一个将要被执行的指令的位置,具体依赖于特定的系统。

五、PCB-“切换桢”
上下文切换可以认为是内核(操作系统的核心)在 CPU 上对于进程(包括线程)进行切换,上下文切换过程中的信息是保存在进程控制块(PCB, process control block)中的。PCB 还经常被称作“切换桢”(switchframe)。信息会一直保存到 CPU 的内存中,直到他们被再次使用。

六、上下文切换的活动:

  1. 挂起一个进程,将这个进程在 CPU 中的状态(上下文)存储于内存中的处。
  2. 在内存中检索下一个进程的上下文并将其在 CPU 的寄存器中恢复。
  3. 跳转到程序计数器所指向的位置(即跳转到进程被中断时的代码行),以恢复该进程在程序中。

七、引起线程上下文切换的原因

  1. 当前执行任务的时间片用完之后,系统 CPU 正常调度下一个任务;
  2. 当前执行任务碰到 IO 阻塞,调度器将此任务挂起,继续下一任务;
  3. 多个任务抢占锁资源,当前任务没有抢到锁资源,被调度器挂起,继续下一任务;
  4. 用户代码挂起当前任务,让出 CPU 时间;
  5. 硬件中断;
Java 
更新时间:2020-09-22 00:28:17

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原文链接:https://jinterest.cn/archives/thread1
最后更新:2020-09-22 00:28:17

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